Agujeros negros
supermasivos
Vivimos en un universo repleto de agujeros negros,
algunos provenientes de la muerte de estre...
Si la primera mitad del siglo xx reveló la po-   tamente proporcionales a la masa del agujero
nasa/CXC/Cfa/r. kraft et al....
El universo tal y como lo conocemos dejaría
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inmersas en un campo magnético. La cantidad        pues ahí se generan los chorros. A medida que
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MOVIMIENTO SUPERLUMINICO
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opacidad calculada, podemos establecer la co-         nes simultáneas en ambas regiones del espectro
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segundos de arco. De ello se sigue que el              Como hemos visto, uno de los lugares más
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9. MAXIM, al multiplicar por un millón
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Agujeros Negros Supermasivos

  1. 1. Agujeros negros supermasivos Vivimos en un universo repleto de agujeros negros, algunos provenientes de la muerte de estrellas y otros, con masas millones de veces mayores que la solar, del nacimiento de las galaxias José Luis Gómez Fernández y Wolfgang Steffen P odríamos imaginarnos el espacio dad y el horizonte de sucesos se denomina CONCEPTOS BASICOS como una sábana agarrada por los agujero negro. n Al parecer, todas las galaxias, extremos, para que permanezca esti- Dado que nada puede viajar más deprisa incluida la nuestra, albergan rada. Si lanzamos una bola de billar encima, que la luz, todo lo que se encuentre entre la en su centro un “agujero negro se curvará. Algo análogo, según la teoría de singularidad y el horizonte de sucesos queda- supermasivo”: un agujero la relatividad general, le hace una estrella rá atrapado en la gravedad del agujero negro. negro cuya masa equivale al espacio; cuanto mayor sea la masa de Nuestro universo se encuentra, por tanto, a la de miles de millones la bola, o de la estrella, más pronunciada aislado del interior de un agujero negro. de estrellas. será la curvatura generada. En un agujero Si aceptamos que, según la conjetura de n En torno a esos agujeros negro la curvatura adquiere una intensidad la censura cósmica de Roger Penrose, toda se forman discos de acreci- tal, que el espacio se “rompe”: se le hace un singularidad debe tener un horizonte de miento de materia. Se gene- “agujero”. Este agujero, más propiamente sucesos, o dicho de otra manera, no hay ran además inmensos chorros denominado singularidad, supone un ver- singularidades “desnudas”, el precio por de electrones, acelerados casi dadero desafío: las leyes de la física tal y cruzar el horizonte de sucesos y observar hasta la velocidad de la luz. como las conocemos hoy en día, incluidas de cerca la singularidad de un agujero ne- La estratificación de las las de la relatividad general, carecen allí gro será dejar por siempre nuestro univer- energías que emiten informa de validez. so. Nada impide que lleguemos hasta ella, acerca de la naturaleza Tan enorme curvatura, o gravedad, afec- pero nunca podremos volver y contar qué del objeto que se encuentra ta también a los rayos de luz. La velocidad hemos visto. en el centro y cuya atracción necesaria para escapar de la atracción gra- crea esas estructuras. vitatoria de un cuerpo es proporcional a Formación n Los instrumentos astronómicos su masa: a mayor masa, mayor velocidad. Si una estrella llega a las últimas etapas de se están acercando a la reso- En la vecindad de los agujeros negros, la su vida con una masa superior a unas 2 o lución necesaria para observar gravedad es tan alta, que la velocidad de 3 veces la de nuestro Sol, nada parará su el horizonte de sucesos de los escape se hace mayor que la de la luz: ni implosión cuando se le agote el combustible agujeros negros del centro de siquiera ésta puede escapar. De ahí que nuclear. Se contraerá más y más y la grave- las galaxias, la frontera que sean invisibles, “negros”. La distancia de la dad llegará a ser tan intensa que el espacio aísla para siempre del resto singularidad a la que la velocidad de escape se curvará sobre sí mismo hasta generar la del universo a la materia iguala a la de la luz define una superficie singularidad: se habrá formado un agujero y a la luz que la cruzan. en torno al agujero negro, el horizonte de negro y la luz de la estrella desaparecerá sucesos. El sistema formado por la singulari- por siempre de nuestro universo. 30 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009
  2. 2. Si la primera mitad del siglo xx reveló la po- tamente proporcionales a la masa del agujero nasa/CXC/Cfa/r. kraft et al. (Centaurus A); nasa/jpl-CalteCh (fondo de estrellas); wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez (curvatura espacio-tiempo) 1. CURVATURA DEL ESPACIO- sible existencia de agujeros negros de tamaño negro central. TIEMPO producida por un estelar, la segunda mitad nos sorprendió más agujero negro. Los fotones aún con la posibilidad de los agujeros negros Viaje a un agujero negro que ve un observador lejano supermasivos (ANSM), cuyas masas superaban Una de las primeras pruebas de la presencia gastan energía (aumentan su la solar miles de millones de veces. Parecen de un agujero negro con las que nos encon- longitud de onda y “enrojecen”) ser los generadores de las mayores emisiones traríamos al acercarnos a uno de ellos sería la al salir del pozo de potencial. de energía conocidas en el universo: las de los sombra negra que proyecta la región encerrada De más allá del horizonte de cuásares o, más en general, las de las galaxias dentro de su horizonte de sucesos. El tama- sucesos, ni siquiera la luz activas, conocidas también por su acrónimo ño de esa región, proporcional a la masa del consigue escapar. en inglés, AGN. agujero negro, mide sólo unos tres kilómetros Recientes observaciones han mostrado que para un agujero negro de masa solar; la masa no sólo los AGN parecen contener un ANSM propiamente dicha quedaría confinada en una en su interior, sino que pueden estar presentes región de unos 10-33 cm. en todas las galaxias, incluida la nuestra. Sin La enorme curvatura producida por el embargo, aún desconocemos en gran medida agujero negro en la cercanía del horizonte cómo estos agujeros negros supermasivos se de sucesos actúa a modo de lente, que hace han formado en el corazón de las galaxias. que la sombra del agujero presente un borde Mientras algunas teorías apuntan hacia la po- brillante en el que se concentra la luz de las sible formación de un ANSM como precursor estrellas y galaxias situadas detrás del agujero de la galaxia, otras sugieren que el agujero y la negro. Al acercarnos al horizonte de sucesos, galaxia comparten un origen y evolución co- comenzaríamos a percibir unas fuerzas de mún; el agujero negro supermasivo acumularía marea, tanto mayores cuanto menor fuese el masa a medida que la galaxia creciese. agujero negro y más cerca nos encontrásemos. Esta última hipótesis se ha visto reciente- Las fuerzas aludidas son el resultado de la mente reforzada gracias a la correlación ob- rápida variación de la gravedad con la dis- servada entre las propiedades a gran escala de tancia al horizonte de sucesos; distintas partes las galaxias elípticas y las de los bulbos de las de nuestro cuerpo experimentarían fuerzas espirales con la masa de los agujeros negros gravitatorias de diferente intensidad. centrales que contienen. La masa total de es- Las ecuaciones de Einstein muestran que trellas y su dispersión de velocidades son direc- la gravedad no sólo afecta al espacio, curván- INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 31
  3. 3. El universo tal y como lo conocemos dejaría de estar a nuestro alcance; nos embarcaríamos en un viaje hacia lo desconocido en la vecin- dad de la singularidad, donde las leyes de la mecánica cuántica y la gravedad de Einstein se unen de una manera que desconocemos al día de hoy. Los indicios El principal problema a la hora de encontrar pruebas de la existencia de los agujeros negros es que, como hemos visto, no emiten ningún tipo de radiación; al menos, no en cantidad apreciable. La única radiación que pueden emi- tir es la propuesta por Stephen Hawking y que estaría originada por las fluctuaciones cuánti- cas del vacío. Esta es inversamente propor- cional al tamaño del horizonte de sucesos del agujero negro por lo que sólo los agujeros negros primordiales, del tamaño de un núcleo atómico y formados presumiblemente en el origen del universo, emitirían una cantidad de energía reseñable. Tales agujeros diminutos, si llegaron a formarse, lo hicieron en un número muy pe- queño; resultaría imposible encontrarnos uno 2. EN LAS CERCANIAS DE UN dolo, sino que modifica también el tiempo. de ellos. Cabría incluso que no obedecieran AGUJERO NEGRO la luz del El espacio y el tiempo dejan de ser conceptos el principio de censura cósmica de Penrose resto del universo se concentra absolutos e independientes. El fluir del tiem- y muestren su singularidad desnuda. El resto en una ventana, tanto menor po y del espacio es relativo y depende del de los agujeros negros tienen una radiación de cuento más nos acerquemos observador; no podemos entender uno sin el Hawking indetectable. al horizonte de sucesos. otro: están integrados en el espaciotiempo. La Ya que no podemos ver los agujeros negros, gravedad de un agujero negro produce una para detectar su presencia hemos de recurrir curvatura en el espaciotiempo, por lo que, al a las perturbaciones que introducen en su acercarnos al horizonte de sucesos, el tiempo entorno. A la manera en que las pisadas en fluiría más lentamente para nosotros que para la nieve nos llevan a una persona, las huellas un observador lejano. Por eso, la frecuencia de los agujeros negros se dejan en su enorme de los fotones que, emitidos por nosotros, gravedad. captaría el observador distante se reduciría a Uno de los primeros indicios de la existen- medida que nos acercásemos al horizonte. Al cia de agujeros negros se obtuvo del estudio disminuir su frecuencia, la luz se volvería más de los sistemas binarios de rayos X, formados y más rojiza; por ese motivo, al fenómeno en por una estrella y un agujero negro de tamaño cuestión se le denomina corrimiento hacia el estelar. Ahora los mejores indicios de la exis- rojo gravitatorio. tencia de agujeros negros han aparecido en el La dilatación del tiempo iría creciendo a centro de las galaxias, incluida la nuestra. En medida que nos acercásemos al horizonte de estos casos, la huella gravitatoria corresponde sucesos, de suerte que, para un observador a objetos del tamaño de cientos o miles de lejano, vendría a ser como si el tiempo de millones de estrellas. nuestros relojes se parase justo en el momento El centro de nuestra galaxia parece albergar en que cruzásemos el horizonte. Le parecería uno de estos ANSM. Gracias a su relativa que nunca llegaríamos a cruzarlo; nuestra ima- proximidad (a tan sólo 27.000 ± 1100 años- wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez gen se le quedaría congelada para siempre en luz), se ha podido determinar, con una extraor- el momento de cruzar el horizonte. dinaria precisión (0,3 milésimas de segundo En cuanto a nosotros, este viaje al agujero de arco, equivalentes a 0,00003 años-luz), el negro haría que el universo entorno se con- movimiento de las estrellas en torno a ese ob- centrase en una pequeña ventana circular. Sería jeto central, que debe contener una masa total como mirar a través del “embudo” producido de 4,31 ± 0,36 millones de veces la de nuestro por la curvatura en el espaciotiempo. A me- Sol. Además, la masa en cuestión ha de estar dida que nos acercásemos al agujero negro, confinada en un espacio muy reducido, con la ventana decrecería, para desaparecer en el una densidad de masa equivalente a la de 40 momento de cruzar el horizonte de sucesos. mil billones de estrellas de tipo solar, en un 32 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009
  4. 4. tamaño algo menor que la distancia que nos En la figura 3 se muestra una imagen es- separa de la estrella más cercana. Estas son las quemática de la región más interna de un razones de que se crea que el objeto situado en AGN. En ella se distinguen las zonas del disco el centro de nuestra galaxia constituya el que de acrecimiento, según la región del espectro aporta más claros indicios de ser un gigantesco electromagnético en que se emita la mayor agujero negro. cantidad de radiación. Las “nubes”, condensa- Otro de los más firmes candidatos a ciones de material interestelar, giran también ANSM es el situado en el centro de la galaxia alrededor del agujero negro a velocidades del NGC4258. Observaciones del movimiento de orden de miles de kilómetros por segundo. nubes de alta velocidad en torno al objeto Debido a su mayor proximidad con res- central han permitido estimar que contiene pecto al agujero negro central, las regiones una masa de 39 ± 3 millones de veces la del más internas del disco giran con una mayor Sol. Es pequeña comparada con la obteni- velocidad, creándose una rotación diferencial da para el centro de la galaxia denominada en el disco en función de su distancia al centro. 3. ESQUEMA DE UN NUCLEO M87, situada en el centro del cúmulo de Se produce así una fricción y, por tanto, calen- ACTIVO DE GALAXIAS. galaxias de Virgo: tres mil millones de veces tamiento, que se disipa en forma de emisión a El agujero negro central da la masa solar. lo largo del espectro electromagnético. Cuanto lugar a un disco de acrecimiento más cerca nos encontremos del agujero negro, Agujeros negros supermasivos más altas serán las temperaturas del disco y, que exhibe una estratificación en temperaturas. El material en el corazón de las galaxias por consiguiente, más energética la radiación extraído del disco engendra La presencia de un agujero negro superma- emitida. chorros que transportan sivo produce enormes alteraciones en las re- El disco de acrecimiento empieza a tomar partículas atómicas a energías giones internas de la galaxia que lo alberga. forma a unos pocos parsecs (1 pc es equiva- y velocidades relativistas. Para Su gran masa da lugar a la formación de lente a 3,26 años-luz), donde nos encontra- mayor simplicidad, se muestran inmensos discos de gas y polvo que giran a mos una mezcla de gas y polvo a muy baja distintas secciones del disco su alrededor. temperatura, detectable sólo por su radiación separadas a lo largo del chorro. GAS MUY CALIENTE EMISION DE RAYOS X GAS CALIENTE AGUJERO NEGRO EMISION OPTICA e UV 0,0001 pc GAS Y POLVO TIBIO EMISION INFRARROJA VIENTO 0,01 pc CORONAL LINEAS DE CAMPO MAGNETICO 0,1 pc GAS Y POLVO FRIO EMISION DE RADIOMASERES wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez 1 pc NUBES DE ALTA VELOCIDAD CHORRO INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 33
  5. 5. en líneas moleculares correspondientes a lon- de los cuásares y una de las mejores fuentes gitudes de onda de radio. La observación de para su estudio. estas líneas nos faculta para medir la velocidad La primera observación de un chorro acon- del material en el disco con una gran precisión teció en 1917. La realizó Heber D. Curtis en a través del efecto Doppler. M87. A pesar de esta primera detección en el Adentrándonos más en el disco, hasta dis- óptico, fueron necesarios otros 60 años para tancias de décimas de parsec del agujero negro, que se desarrollara la radioastronomía y con nos encontramos con una región de gas y polvo ella un mejor conocimiento de la naturaleza tibio que emite sobre todo en el infrarrojo. de los chorros y su relación con los AGN. A unas centésimas de parsec, el disco está lo bastante caliente como para que se evaporen Radiointerferometría los minúsculos granos de polvo; emite sobre La mayor parte de la radiación emitida por los todo en el óptico y el ultravioleta. Se trata de chorros de los AGN se concentra en las lon- una región que, si bien del tamaño de nuestro gitudes de onda milimétricas y centimétricas, sistema solar, emite una cantidad de energía es decir, en el rango de las emisiones de radio. cien veces mayor que todas las estrellas de Semejante acotamiento supuso inicialmente la galaxia. un inconveniente, dada la pobre resolución Adentrándonos más aún en el disco llega- de los radiotelescopios comparada con la de mos a una zona donde el gas alcanza tempe- los telescopios que observan las longitudes raturas de millones de grados; emite rayos X. de onda del visible. Más cerca del agujero negro no existen órbitas El poder resolutivo de un instrumento que estables, por lo que el material atraviesa el trabaja en el límite de difracción viene dado, horizonte de sucesos y desaparece atrapado aproximadamente, por la razón entre la lon- por el agujero negro. gitud de onda de la observación y la apertura Pero no todo el material del disco acaba del instrumento. Así, para obtener imágenes alimentando al agujero negro. Parte es arran- con una resolución angular de 1 segundo de cado del disco por los campos magnéticos arco en el óptico (alrededor de los 550 nm) que se encuentran anclados en el interior de necesitaríamos un telescopio de unos 14 cm, 4. LAS OBSERVACIONES éste, desencadenando uno de los fenómenos mientras que a longitudes de onda de radio INTERFEROMETRICAS permiten más llamativos de la naturaleza: unos gigan- (alrededor de 1 cm) tendría que ser de unos combinar la señal de distintos tescos chorros de partículas que se extienden 2,5 km de diámetro. Esto hizo pensar que radiotelescopios como si se a velocidades cercanas a la de la luz hasta la radioastronomía estaría siempre relegada tratase de una sola antena, distancias mucho mayores que la propia ga- a un papel secundario frente a la astronomía tan grande como la propia laxia que los alberga. Esos chorros constituyen óptica. Tierra. una de las características más espectaculares La solución del problema provino del de- sarrollo de una técnica de observación, la in- terferometría. Por esta idea de brillante simpli- cidad obtuvo Martin Ryle el premio Nobel de física en 1974. No podemos construir una an- tena de varios kilómetros de diámetro, pero sí múltiples antenas y combinarlas, conjugar sus señales como si fuesen secciones distintas de una mucho mayor, tan grande como la máxi- ma separación entre ellas. Mediante semejante wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez (composición); nrao/aui (Cygnus A) proceder se consigue una resolución igual a la que se obtendría con esa antena equivalente, aunque no la misma sensibilidad. Para que la sensibilidad fuese igual, sería necesario que las antenas del sistema interferométrico cubriesen entre todas el área de la antena equivalente; en la práctica resultaría tan difícil y costoso como construir una única antena. Martin Ryle se percató entonces de la po- sibilidad de registrar la señal recibida en cada antena durante un largo período de tiempo; de ese modo, la propia rotación de la Tierra propicia que las antenas (o elementos del inter- ferómetro) cubran una mayor superficie de la antena equivalente. Dicho técnicamente: así se obtiene un mejor cubrimiento del denominado 34 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009
  6. 6. plano u-v, que no es más que la representación de la superficie de la antena equivalente. 3C120 Las señales de las distintas antenas se com- binan como en el interferómetro de Michel- son. La señal que se recibe en cada antena se procesa en el correlador, dispositivo que compensa el retraso en la llegada de la señal a cada una de las antenas, para lo cual requiere de un modelo complejo de todas las variables que pueden influir; por ejemplo, la propia rotación terrestre. El correlador construye el patrón de interferencias, o función de visibili- dad (amplitud y fase), para cada par de antenas (para cada “línea de base”). Esta técnica es conocida como interferometría de muy larga base (VLBI, por su acrónimo en inglés). Uno de estos interferómetros es el VLBA, consistente en 10 radiotelescopios de 25 me- tros cada uno repartidos por Estados Unidos, desde Hawai hasta las islas Vírgenes. Con este instrumento es posible sintetizar una antena equivalente tan grande como la propia Tierra; así se obtienen imágenes a longitudes de onda de radio con una resolución angular del orden de 0,15 milisegundos de arco. Tamaña capaci- dad de observación no tiene comparación en otras ramas de la astronomía; es, por ejemplo, unas 500 veces superior a la obtenida con el telescopio espacial Hubble en longitudes de onda del visible. La radiogalaxia 3C120 Uno de los objetos más interesantes para pro- fundizar en el conocimiento de los chorros en AGN y su relación con los ANSM que albergan es la radiogalaxia 3C120. Esta galaxia se caracteriza por emitir una enorme cantidad de radiación a lo largo del espectro electro- los chorros se mantienen muy colimados, con 5. IMAGENES DEL CHORRO magnético, desde longitudes de onda de radio ángulos de apertura que en la mayoría de los RELATIVISTA de la radiogalaxia hasta rayos X, con luminosidades que supe- casos es inferior a un grado. 3C120 a diferentes escalas ran los 1043 erg s–1 (unos dos mil quinientos Gracias al análisis del espectro de emisión, angulares. millones de veces mayores que la de nuestro es decir, de cómo varía ésta en función del Sol). Se debe semejante cantidad de energía rango de energía considerado, podemos des- a la acreción de material galáctico en torno a cubrir el mecanismo por el que los chorros un agujero negro central que tiene una masa emiten grandes cantidades de energía en lon- wolfgang steffen, jose luis gomez fernandez y Craig walker (nrao/aui) unos 30 millones de veces la solar. gitudes de onda de radio. La mayoría suele Las primeras observaciones de interferome- mostrar un espectro bastante plano: emiten tría a longitudes de onda de radio, llevadas a una cantidad de energía muy similar, inde- cabo en los años ochenta, revelaron que 3C120 pendientemente de la longitud de onda de presenta un chorro que se extiende hasta dis- radio a la que observemos. Esta distribución tancias del orden de 100 Kpc, muy superiores difiere de la esperada para un cuerpo negro, un al tamaño en el óptico de la propia galaxia objeto con una emisión característica determi- que lo contiene. Este chorro, al que podemos nada por la temperatura a la que se encuentre; considerar representativo de los que hay en los es, por ejemplo, el caso de una estrella. De AGN y en los sistemas binarios —de estrella ahí que se diga que la emisión de los chorros y un objeto muy compacto, quizás un aguje- es de naturaleza no térmica. ro negro— a los que se llama microcuásares, Sin embargo, el espectro se ajusta bien al transporta materia y energía desde las regiones esperado para una radiación de tipo sincro- más centrales de la galaxia hasta el medio inter- trón, la radiación que emiten las partículas galáctico. A lo largo de esas distancias enormes, cargadas muy energéticas cuando se hallan INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 35
  7. 7. inmersas en un campo magnético. La cantidad pues ahí se generan los chorros. A medida que de energía emitida es inversamente propor- vamos recorriendo el chorro, alejándonos del cional a la masa de la partícula elevada a la núcleo, vemos que éste suele presentar unas cuarta potencia. Por tanto, la mayor parte de regiones de emisión más intensa; se les da el la radiación sincrotrón que proviene de los nombre de componentes. chorros tiene que haber sido producida por electrones de muy altas energías que viajan a ¿Velocidades mayores lo largo de los chorros, que a su vez contienen que la de la luz? un campo magnético. Gracias a la relativa cercanía de la radiogalaxia Una de las características de la radiación 3C120, situada a sólo unos 125 Mpc, las ob- sincrotrón estriba en lo siguiente: la energía servaciones de interferometría de muy larga liberada por el electrón, así como la frecuen- base con el VLBA a una longitud de onda cia a la que la emite en su mayor parte, es de 7 mm nos permiten estudiar el chorro de proporcional a su energía inicial. Se configura 3C120 con una resolución espacial de unos así una estratificación en el chorro, tanto en 0,07 pc. Para hacernos una idea de la óptima la cantidad de energía como en la frecuencia resolución alcanzada: con ella apreciaríamos los a la que es emitida. Las regiones más internas detalles de un balón de baloncesto situado en desprenden una gran cantidad de energía, y la Luna. Podemos así acercarnos a las regiones lo hacen fundamentalmente mediante foto- más internas del chorro de 3C120 y estudiar su nes de energías muy altas, correspondientes a evolución en el transcurso del tiempo. Gracias longitudes de onda del óptico, o incluso en a este tipo de observaciones, uno de los autores rayos X. A medida que los electrones viajan a (Gómez) y sus colaboradores han realizado un lo largo del chorro y van perdiendo energía, seguimiento mensual durante casi dos años del radian cada vez menos energía y lo hacen a chorro de 3C120. De ese empeño salió uno longitudes de onda crecientes. de los estudios más detallados hasta la fecha La estructura más interna de los chorros, sobre dichos objetos. su “núcleo”, presenta por lo general una emi- Las regiones de emisión más intensa, o sión ópticamente “gruesa”. Quiere decir que “componentes”, del chorro muestran un com- la mayor parte de la emisión que se genera en portamiento característico de estas fuentes, esta región es absorbida por la propia fuente. pero no por ello menos intrigante: su mo- 6. OBSERVACIONES DE RADIO- Sólo la emisión generada en las capas más vimiento proyectado en el plano del cielo es INTERFEROMETRIA permiten externas puede escapar y llegar hasta nuestros mucho más rápido que la luz. La primera vez estudiar la evolución temporal radiotelescopios. De esta manera, al igual que que se observó el movimiento superlumínico, en de la emisión en el chorro de una espesa niebla no nos permite ver qué hay los años setenta, se pensó que violaba la teoría la radiogalaxia 3C120 con una detrás, la fuerte autoabsorción de la emisión en de la relatividad de Einstein. Sin embargo, es resolución angular hasta 500 el núcleo nos impide observar sus capas más perfectamente explicable dentro de la teoría veces mejor que la ofrecida por internas. Por eso, resulta más difícil analizar de la relatividad, y nos ha permitido constatar el telescopio espacial Hubble cuáles son los procesos físicos desarrollados en un hecho de suma importancia en el estudio en el rango óptico. esa región, que presenta un interés especial, de los chorros en AGN: el material que viaja a lo largo de los chorros ha de hacerlo a una velocidad que, si bien no es superior a la ve- locidad de la luz, ha de hallarse muy cercana a la misma (del orden del 90 % o superior); además, ha de viajar en una dirección cercana a la de la visual. jose luis gomez fernandez y fermin gomez fernandez (composición) Los ANSM y su entorno El estudio detallado de la evolución de la es- tructura del chorro en la radiogalaxia 3C120 ha puesto de manifiesto la importancia de su interacción con el medio a través del cual se propaga. Como ya hemos dicho, se trata de un medio poco homogéneo, con regiones de mayor densidad, o nubes, que orbitan en tor- no al agujero negro central supermasivo. El ingente pozo de potencial del agujero negro hace que las nubes más internas presenten elevadas velocidades de rotación; se crean así nubes de alta velocidad, responsables de líneas de emisión con amplias anchuras re- 36 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009
  8. 8. MOVIMIENTO SUPERLUMINICO C uando medimos, en los chorros relativistas, movimientos proyectados en el plano de observación, sus velocidades pueden superar la velocidad de la luz. Se habla entonces de movi- mientos superlumínicos, sin que por ello se viole una de las premisas fundamentales de la teoría de la relatividad: nada puede viajar más rápido que la luz. Consideremos una región de emisión (una “componente”) que viaja a lo largo del chorro con una velocidad v (cercana a la de la luz) y formando un ángulo pequeño θ con respecto al observador. Emite dos pulsos de luz separados por un intervalo de tiempo Dt, como se muestra en la figura. El primer pulso de luz viaja hacia el observador v ∆t cos θ v∆ a la velocidad de la luz c: recorre durante este intervalo una distancia θ c ∆t t cDt en su camino hacia el observador. Mientras tanto, la componen- te se mueve a lo largo del chorro a una velocidad muy cercana a c; por eso, cuando emite el segundo pulso de luz Dt más tarde, ya ha recorrido una distancia en dirección al observador que viene dada v ∆t sen θ por su proyección en esa dirección, igual a vDtcosθ. De ese modo, el segundo pulso ha de recorrer una distancia hasta el observador menor que el primero, dada por cDt – vDtcosθ (en azul en la figura). Esto supone que los pulsos de luz llegarán al observador con una diferencia de tiempos igual a la que necesita la luz para viajar esta distancia, que es igual a (cDt – vDtcosθ)/c, o lo que es lo mismo Dt(1 – βcosθ), en donde β = v/c. Esto nos permite calcular fácilmente la velocidad aparente vap medida por un observador en el plano del cielo: es igual a la distancia recorrida por la componente proyectada en el plano de observación, igual a vDtsenθ, dividida por la diferencia en los tiempos de llegada de los dos pulsos de luz que hemos calculado antes: Dt(1– βcosθ). Por tanto vap = (vsenθ)/(1 – βcosθ), o en unidades de la velocidad de la luz (dividiendo por c) βap = (βsenθ)/(1 – βcosθ). Es fácil, por tanto, ver que, dependiendo de la velocidad del mate- rial en el chorro y de su orientación relativa con respecto al observa- dor, podemos llegar a medir velocidades proyectadas en el plano del cielo mayores que la de la luz. Por ejemplo, para una componente que se mueva, con un ángulo con respecto al observador de 20 o, a una velocidad de β = 0,9 (es decir, el 90 % de la de la luz) mediríamos una velocidad proyectada en el plano de observación de aproximadamente el doble de la velocidad de la luz. Se han llegado a medir en chorros de AGN velocidades superlumínicas de hasta unas 40 veces la de la luz. lativas. En las partes más alejadas, tenemos Para explicar estos cambios necesitamos nubes de menor velocidad y densidad, con que una región del chorro, o componente, líneas de emisión más estrechas. Aunque se colisione con una nube. Durante la colisión desconoce la distribución de estas nubes, se produce una onda de choque, que aumenta se espera que tengan unas densidades lo su- la energía de los electrones del chorro, así ficientemente grandes para que la probabili- como su densidad. Esta onda de choque debe dad de colisión del chorro con una resulte al mismo tiempo producir una realineación bastante alta. del campo magnético, lo cual explicaría el El análisis de la evolución de la emisión aumento en la emisión linealmente polari- wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez por parte de algunas componentes del chorro zada. Si el aumento brusco de la emisión es 3C120 muestra indicios de una intensa in- inusual, lo es también su repentina disminu- teracción con una nube de ésas. Contraria- ción. Para poder explicarla ha de haber una mente a lo esperado, la emisión de algunas opacidad extra, procedente probablemente de de estas componentes presenta un aumento la propia nube. brusco cuando se encuentran en una región Podemos hacer una estimación de cuáles del chorro situada a unos 8 pc del núcleo. El son los parámetros esperados para esta nube a aumento, que acontece en sólo unos meses, partir de las variaciones en la emisión, tanto en viene acompañado por una reordenación y flujo total como en el linealmente polarizado. rotación progresiva del campo magnético. A partir de la medida de la rotación y de la INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 37
  9. 9. opacidad calculada, podemos establecer la co- nes simultáneas en ambas regiones del espectro lumna de densidad necesaria: se obtienen unos electromagnético deberían, por consiguiente, valores intermedios entre los que se calculan proporcionarnos información sobre la posible para las regiones de nubes de líneas anchas y conexión entre el disco y el chorro. los de las nubes de líneas estrechas. Por tanto, Con este fin, Alan P. Marscher, de la Uni- el chorro se hallaría interaccionando con una versidad de Boston, y sus colaboradores (en- RADIOGALAXIA 3C120 nube de un tamaño de unos 0,5 pc, con una tre los que se encuentra uno de los autores, densidad electrónica de unos 5 × 104 cm–3 y un Gómez) han llevado a cabo una campaña de campo magnético de unos 0,4 microgauss. observaciones de 3C120 en rayos X con el RXTE (satélite Rossi para la observación de Formación de los chorros rayos X) y, simultáneamente, con los radio- Aún desconocemos en gran medida cómo el telescopios de la Universidad de Michigan, sistema constituido por el agujero negro y su Metsähovi (en Finlandia) y el radiointerferó- disco de acrecimiento propicia la formación en metro VLBA. Tras más de tres años de observa- los AGN de un par de chorros que transportan ciones, se ha podido comprobar que la emisión materia y energía en sentidos opuestos a lo en rayos X (en el rango entre 2,4 y 20 keV) largo del eje de rotación del agujero negro. Sin de 3C120 suele presentar disminuciones en su embargo, se trata de un proceso harto común intensidad, siempre seguidas, alrededor de un en la naturaleza: no sólo se da en los AGN, mes más tarde, de un aumento de la emisión sino también en estrellas en formación, púl- a longitudes de onda de radio. sares y microcuásares y, probablemente, en las Según algunas hipótesis, la bajada en la erupciones de rayos gamma, es decir, en los emisión en rayos X puede deberse a una dis- sistemas donde se produce acreción de materia minución en la eficiencia con la que el disco en torno a un objeto masivo central. Parece que emite radiación, relacionada con cambios en estas distintas situaciones astrofísicas comparten la configuración de su campo magnético. Por una misma regla: la velocidad del material que otro lado, es posible que la bajada en la emisión forma los chorros es cercana a la velocidad de en rayos X obedezca a una disminución en escape del sistema. Puesto que para un agujero la cantidad de materia que emite en rayos X negro la velocidad de escape es la velocidad en las zonas más internas del disco de acreci- de la luz, los chorros que se observan en los miento. Es decir: una sección más interna del AGN, y en otros sistemas con un agujero negro disco “desaparece”. La pregunta, por tanto, es: central, suelen presentar una velocidad cercana ¿adónde va? Dada su cercanía al horizonte de a esa velocidad límite de la naturaleza. sucesos del agujero negro central, y puesto que Las observaciones de la radiogalaxia 3C120 el material que cruza este horizonte deja de ser nos permiten indagar en los procesos que visible desde nuestro universo, la hipótesis más dan lugar a la formación de los chorros. Su razonable es que la materia que desaparece lo espectro de emisión en rayos X se caracteri- hace porque la engulle el agujero negro. za por una componente débil (es decir, de De manera sistemática, la bajada en rayos X energías relativamente bajas) originada en las viene seguida por un aumento en la emisión zonas más internas del disco de acrecimiento, en radio, que, como sabemos, se origina sobre junto con una componente más energética todo en los chorros. Por lo tanto, no todo el proveniente de una corona de electrones de material que desaparece de la zona más interna muy alta energía, que reprocesan la emisión del disco es engullido por el agujero negro; del disco. A ello debemos añadirle una línea una parte debe inyectarse en los chorros que de emisión de hierro que sugiere que la emi- observamos en radio. Si la hipótesis esbozada sión del disco de acrecimiento es mucho más es correcta, las imágenes de interferometría intensa que la que se origina en las regiones deberían mostrar la aparición de nuevas com- más internas del chorro. ponentes en el chorro mejor orientado con Por tanto, si observamos la radiogalaxia respecto al observador; y eso es justamente lo 3C120 en rayos X estaremos observando las que muestran las observaciones realizadas con zonas internas del disco de acrecimiento, mien- el VLBA. Nuevas componentes superlumínicas tras que si lo hacemos en longitudes de onda de aparecen en el chorro cada vez que baja la radio estaremos captando fundamentalmente la emisión en rayos X, y producen el aumento en jose luis gomez fernandez y Science emisión que proviene del chorro. Observacio- la emisión en longitudes de onda de radio. Las componentes presentan una velocidad 7. SECUENCIA DE IMAGENES del chorro en la media del orden de cinco veces la velocidad de galaxia 3C120 obtenidas con el radiointerferóme- la luz. Por tanto, en un mes, entre la disminu- tro VLBA. Estas muestran regiones de emisión con ción de la emisión en rayos X y su aparición 0 2 4 6 8 velocidades en el plano del cielo entre 4 y 5 veces en el chorro, viajan una distancia, proyecta- Ascensión recta relativa (miliarcosegundos) mayores que la de la luz. da en el plano del cielo, de unos 0,15 mili- 38 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009
  10. 10. segundos de arco. De ello se sigue que el Como hemos visto, uno de los lugares más agujero negro no se encuentra exactamente prometedores para un estudio así es el pro- Los autores donde se origina el chorro, sino que hay una pio centro de nuestra galaxia. Imágenes con José Luis Gómez Fernández región entre el agujero y el chorro en la que la mejor resolución angular disponible en la y Wolfgang Steffen estudian éste es a todos los efectos invisible, y no por actualidad, del orden de 100 microsegundos los chorros relativistas presentes opacidad alguna, sino quizá porque el material de arco, nos acercan al horizonte de sucesos en núcleos de galaxias activas y otros flujos astrofísicos. Gómez es que lo forma necesita cierta distancia hasta a una distancia igual a unas decenas de veces científico titular del Instituto de alcanzar una energía lo bastante alta para que su tamaño. La imagen directa de la enorme Astrofísica de Andalucía (CSIC), la radien procesos de tipo sincrotrón e inverso distorsión producida en el espaciotiempo que en Granada, donde realizó su Compton (en el que los fotones ganan energía rodea al agujero negro se encuentra, por tanto, tesis doctoral, tras la que com- a expensas de la materia) y resulte observable a sólo un orden de magnitud de mejora de la pletó su formación en el Instituto de Astrofísica de la Universidad por nuestros telescopios. resolución angular alcanzada. de Boston y el departamento de La correlación observada entre la emisión Según lo expuesto, tamaña capacidad de astronomía de la Universidad de en rayos X y radio en 3C120 viene a con- resolución angular es posible gracias a obser- Manchester. Steffen realizó su firmar nuestra suposición de que los chorros vaciones de interferometría de muy larga base tesis doctoral en el Instituto de Radioastronomía de la Sociedad que observamos se generan en la acreción de creadas por la combinación de radiotelescopios Max Planck, en Bonn, y completó material en torno a un objeto central com- repartidos por toda la superficie terrestre. El su formación en el departamento pacto de enorme masa que debe de poseer un salto extra en resolución angular, hasta alcan- de astronomía de la Univer- horizonte de sucesos. Ahora bien, la posesión zar los 10 microsegundos de arco (o menor), sidad de Manchester, siendo de un horizonte de sucesos distingue a los requiere de un aumento en la apertura del in- actualmente investigador titular del Instituto de Astronomía de la agujeros negros frente a otros pozos de po- terferómetro (de la distancia máxima entre las Universidad Nacional Autóno- tencial gravitatorio intenso. Nos encontramos, antenas que lo forman) o de una disminución ma de México, en su sede de pues, con una de las pruebas más claras de la en la longitud de onda de observación. Ensenada. existencia de un agujero negro supermasivo en La primera de tales opciones alternativas el corazón de una galaxia activa. nos llevaría necesariamente a utilizar antenas Con anterioridad, habían observado un en órbita terrestre; combinadas con las situa- comportamiento muy similar Félix Mirabel, das en la superficie, nos permitirían extender hoy en el Observatorio Europeo del Sur, y Luis la apertura del interferómetro hasta distancias F. Rodríguez, de la Universidad Autónoma de superiores al tamaño de la Tierra. Nos referi- México, en el microcuásar GRS1915+105. En mos a una vía explorada ya con éxito por la este caso, la masa del agujero negro responsable agencia espacial japonesa, que en 1997 puso de la actividad del sistema es de “tan sólo” unas la antena de 8 metros de diámetro HALCA 10 veces la del Sol, es decir, unos 3 millones en una órbita con un apogeo de 21.400 km. de veces menor que en 3C120. Esta razón Supone un aumento en un factor de aproxi- entre las masas de los agujeros negros parece madamente tres en la distancia máxima entre determinar el “factor de escala” entre ambos sistemas, algo esperable por otro lado, pues el factor en cuestión debe guardar relación con la razón de tamaños de los correspondientes horizontes de sucesos, que a su vez es directa- mente proporcional a la masa de los agujeros negros. Los microcuásares que encontramos en nuestra propia galaxia parecen ser una versión a escala reducida de los enormes AGN que encontramos repartidos por el universo. En cierta medida, constituirían una especie de pequeños laboratorios donde se podría estudiar en intervalos de minutos lo que requeriría años de observación en los cuásares. wolfgang steffen y jose luis gomez fernandez Fotografiar un agujero negro Probablemente, uno de los mayores retos de los próximos años será el de obtener imáge- nes directas del horizonte de sucesos de un agujero negro. Se trataría, sin duda, de una de las pruebas más claras de la existencia de 8. LOS CAMPOS MAGNETICOS estos objetos, a la vez que supondría uno de anclados en el disco de acre- los mejores laboratorios para comprobar las cimiento transfieren parte predicciones de la teoría de la relatividad de de su energía a los chorros Einstein. relativistas. INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 39
  11. 11. 9. MAXIM, al multiplicar por un millón la resolución del Telescopio Espacial Hubble, ampliaría las imágenes que éste ofrece (derecha) del núcleo de la galaxia M87, hasta el punto de que el agujero negro que debe de encontrarse allí, y del que parte el chorro de partículas visible en la imagen del Hubble, se percibiría como en la ilustración inferior. permitiría alcanzar una resolución angular de 0,1 microsegundos de arco. El interferómetro está ideado para poder observar los rayos X emitidos por las zonas más internas de los discos de acrecimiento en torno a agujeros negros supermasivos justo cuando el material alcanza el horizonte de sucesos y su imagen se queda congelada en el tiempo antes de que lo engulla el agujero negro. Una vía alternativa a la observación directa de un agujero negro consiste en la detección de las huellas que deja su enorme gravedad. Variaciones bruscas en la gravedad, como las producidas en sistemas binarios de agujeros las antenas del interferómetro. Sin embargo, negros, generan ondulaciones del propio es- este aumento de la separación entre antenas no paciotiempo, similares a las que observamos se ha podido trasladar a un aumento en la re- en un estanque al lanzar una piedra. La de- solución angular, pues la mínima longitud de tección de estas ondas gravitatorias abriría una onda a que podía operar HALCA es de 6 cm, ventana novedosa a nuestra forma de ver el muy superior a la longitud en que pueden cosmos. Con este fin, la ESA y la NASA es- trabajar las antenas de la superficie terrestre tán desarrollando conjuntamente el proyecto (entre 7 y 3 mm). No obstante, HALCA ha LISA (“Antena Espacial de Interferometría por permitido constatar la viabilidad de la idea Láser”), cuyo lanzamiento está previsto para y de futuras misiones de VLBI con antenas 2012. Contará con tres telescopios en órbita Bibliografía en órbita, como su sucesora, VSOP-2, aún en solar separados 5 millones de kilómetros. Podrá complementaria proyecto, o la misión RadioAstron (de la agen- detectar, por vez primera, las ondas gravitato- FLAShING SUPERLUMINAL CoM- cia espacial rusa), con las que se pretende rias producidas por la formación de agujeros PoNENtS IN thE JEt oF thE RADIo alcanzar resoluciones angulares del orden negros, su coalescencia en sistemas binarios e GALAxy 3C120. J. L. Gómez, de 10 microsegundos de arco. incluso las fluctuaciones gravitatorias generadas A. P. Marscher, A. Alberdi, De igual manera se están realizando esfuer- en la propia formación del universo. S. G. Jorstad, C. García-Miró en Science, vol. 289, pág. 2317; zos para mejorar la resolución angular gracias Los avances realizados en los últimos dece- 2000. a una disminución de la longitud de onda de nios nos permiten ser optimistas acerca de la observación. Supone un imponente desafío posibilidad de resolver cuestiones fundamenta- oBSERvAtIoNAL EvIDENCE FoR desde el punto de vista técnico, aunque ya se les asociadas con la naturaleza de los agujeros nasa/hst (arriba); benjamin C. bromley (abajo) thE ACCREtIoN-DISk oRIGIN FoR A RADIo JEt IN AN ACtIvE ha avanzado cierto trecho en esa dirección, negros supermasivos, como su formación y su GALAxy. A. P. Marscher, con observaciones de VLBI a longitudes de relación con el entorno galáctico. Sobre esos S. G. Jorstad, J. L. Gómez, onda de 1 mm. fundamentos avanzaremos en el conocimiento M. F. Aller, h. teräsranta, A más largo plazo podría llevarse la técnica de la formación de los chorros relativistas y M. L. Lister, A. M. Stirling de la interferometría hasta el rango energético sabremos por qué algunos convierten a su en Nature, vol. 417, pág. 625; 2002. de los rayos X. El proyecto MAXIM, de la galaxia anfitriona en un AGN, mientras otros NASA, se propone colocar en órbita un con- parecen estar en una situación de letargo, de http://www.nrao.edu junto de 32 telescopios de rayos X con una baja actividad, como el situado en el centro separación máxima entre sí de 200 m, lo que de nuestra galaxia. 40 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009

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